激光熔覆TiC/316L復(fù)合材料組織及性能

肖玥，張元好

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

不銹鋼材料在日常生活和工業(yè)發(fā)展中有著十分重要的地位［1-2］，其中316L 不銹鋼因具有無磁性、抗腐蝕性、高延展性、抗蠕變、良好焊接性以及生物相容性等優(yōu)點［3-4］，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工、機(jī)械、醫(yī)療、食品等眾多領(lǐng)域［5-6］。然而，316L 不銹鋼的強(qiáng)度和硬度比較低，在服役條件越來越苛刻的背景下，其性能越來越難以滿足人們的需求，這促使人們?nèi)ジ纳?、增?qiáng)316L不銹鋼材料的性能。316L 不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，在加熱和冷卻過程中不發(fā)生相變，所以不能通過熱處理的方法來調(diào)整材料的組織、改變材料的力學(xué)性能［7］。人們結(jié)合材料復(fù)合化思路，將低密度、高強(qiáng)度和高硬度的陶瓷顆粒作為增強(qiáng)體加入到不銹鋼基體中，不僅保留了不銹鋼基體良好的韌性和耐腐蝕性能，還降低了不銹鋼材料密度，提高了硬度，改善了強(qiáng)度。Zifei 等［8］利用高溫自蔓延技術(shù)和原位生成法制備了5%TiC 增強(qiáng)不銹鋼復(fù)合材料，與基體材料相比，抗拉強(qiáng)度由416 MPa增至854 MPa，屈服強(qiáng)度有322 MPa增加至714 MPa。藺紹江［9］利用粉末冶金法制備TiC/316L 復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TiC 質(zhì)量含量為10%時,復(fù)合材料表現(xiàn)出最高的抗拉強(qiáng)度，達(dá)到655.3 MPa。TiC 是典型的NaCl 型面心立方，是一種十分穩(wěn)定的間隙化合物。TiC具有低密度、高熔點、高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨耐腐蝕性等優(yōu)點，尤其是與不銹鋼的化學(xué)相容性好［10-11］。文中以TiC顆粒和316L不銹鋼粉末為原料，通過激光熔覆技術(shù)，采用同軸送粉制備TiC顆粒增強(qiáng)316L不銹鋼復(fù)合材料，并研究其性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

采用316L 不銹鋼粉末和TiC 陶瓷顆粒為原材料制備TiC/316L復(fù)合材料。316L不銹鋼粉末購自敬業(yè)集團(tuán)有限公司，尺寸為75～150 μm，圓整度較好，如圖1a所示。TiC顆粒購自株洲華斯盛高科有限公司，尺寸為75～120 μm，顆粒形狀和尺寸相對均勻，如圖1b 所示。316L 不銹鋼粉末主要化學(xué)成分見表1，TiC 顆粒的部分物理性能參數(shù)如表2 所示。用316L不銹鋼板做成形平臺，尺寸為100 mm×50 mm×15 mm，用砂紙打磨表面至光潔平整，并用丙酮及酒精清洗表面，去除油污和雜質(zhì)。

圖1 316L粉末和TiC顆粒形貌

表1 316L不銹鋼的化學(xué)成分

表2 TiC部分物理性能參數(shù)

1.2 實驗方法

實驗前將316L粉末和TiC顆粒充分烘干，分別放入雙桶送粉器的2 個送粉桶中。激光熔覆系統(tǒng)主要包括中央控制系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、ABB 機(jī)器人系統(tǒng)、送粉器和保護(hù)氣瓶。中控系統(tǒng)自主搭建。激光器為Laserline公司的LDF3000-60型半導(dǎo)體型激光器，最大功率為3 kW。送粉器有2個獨立送粉桶，在氬氣氣壓下將粉末送入熔覆頭，通過調(diào)節(jié)送粉器的轉(zhuǎn)速可改變送粉量。實驗前期對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定激光功率為500 W，掃描速度為10 mm·s-1，送粉速率為0.3 r·min-1；激光光斑為圓形光斑直徑為2.5 mm，激光熔覆頭下沿距熔覆平臺13 mm，激光垂直于成形平臺，搭接率為40%，相鄰2層激光初始掃描方向成90°。

實驗過程中，通過調(diào)節(jié)送粉器的轉(zhuǎn)速配比，改變TiC 顆粒在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)（0%，3.33%，6.67%，10%，13.33%，16.67%），制備出6個樣品，尺寸為45 mm×40 mm×4 mm。按GB/T 22—2002用線切割將樣品制備成拉伸試樣，如圖2 所示，采用CMT5205 型拉伸試驗機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸試驗。采用CV-400DAT型顯微硬度計測量材料的硬度。采用2T00型X射線衍射儀對實驗材料和實驗樣品進(jìn)行物相分析。采用日本電子6510型掃描電子顯微鏡，觀察熔覆層微觀組織并進(jìn)行能譜（EDS）分析。

圖2 拉伸試樣圖

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 實驗結(jié)果

1）抗拉強(qiáng)度 復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與TiC體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖3a 所示：復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度隨TiC 體積分?jǐn)?shù)的增大先增大后減??；在TiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)為6.67%時達(dá)到最大，隨后開始減小，最后抗拉強(qiáng)度低于純316L粉末熔覆材料。由此可見，增強(qiáng)相顆粒TiC對復(fù)合材料有2個方面的影響。在TiC體積分?jǐn)?shù)由0%到6.67%的過程中，TiC/316L復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度由582 MPa 增加至675 MPa，抗拉強(qiáng)度增加了15.98%，說明此階段TiC顆粒對復(fù)合材料有強(qiáng)化作用；但在TiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)由6.67%增大到16.67%的過程中，抗拉強(qiáng)度在不斷減小，甚至低于純316L不銹鋼熔覆組織。

2）延伸率 復(fù)合材料的延伸率與TiC含量的變化關(guān)系見圖3b，延伸率隨TiC含量的增加而不斷降低。增強(qiáng)相TiC 顆粒加入到基體中會對位錯起釘扎作用，在塑性變形過程中會阻礙位錯的移動，在硬質(zhì)相顆粒處形成高位錯密度區(qū)域，形成裂紋，使塑性變形過程終止。宏觀表現(xiàn)為延伸率下降。

3）硬度 復(fù)合材料的硬度與TiC含量的變化關(guān)系如圖3c所示，復(fù)合材料的硬度隨TiC含量的增加而不斷增大。這是因為TiC 顆粒本身具有高硬度的特性，同時作為硬質(zhì)增強(qiáng)相，有第二相強(qiáng)化的作用。復(fù)合材料中的Cr、Ni 元素和部分Ti、C 元素會形成一定的固溶［12］，也會產(chǎn)生部分固溶強(qiáng)化。

圖3 TiC體積分?jǐn)?shù)與抗拉強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和硬度的關(guān)系

圖4 拉伸試樣斷口形貌

4）拉伸試樣斷口形貌 根據(jù)拉伸試驗抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律，選取TiC 體積分?jǐn)?shù)為0%、6.67%和13.33%典型試樣進(jìn)行斷口形貌觀察，如圖4所示，3個拉伸試樣斷口的基體材料均呈現(xiàn)出等軸狀韌窩，且韌窩大小相對均勻。這是因為激光熔覆是激冷激熱過程，熔池在凝固過程中有著很大的過冷度，大部分晶粒都來不及長大，所以形成的晶粒相對細(xì)小且均勻。圖4a是316L熔覆試樣拉伸斷口的宏觀形貌，整個斷口呈現(xiàn)出韌窩狀。圖4b 是6.67%TiC的TiC/316L復(fù)合材料斷口宏觀形貌，與圖4a相比，可以觀察到明顯的較大深孔洞，這是TiC顆粒拉伸斷裂后脫落留下的孔洞。圖4c 是13.33%TiC 的TiC/316L復(fù)合材料斷口宏觀形貌，在斷口處可以明顯觀察到大顆粒TiC。在拉伸應(yīng)力的作用下，TiC/316L 復(fù)合材料將產(chǎn)生塑性變形，位錯在滑移的過程中會遇到硬質(zhì)相TiC 顆粒，使滑移受阻，出現(xiàn)位錯塞積，形成高應(yīng)力區(qū)，繼而擴(kuò)展成裂紋。裂紋在TiC 顆粒與基體之間產(chǎn)生時，斷裂時就會伴隨著TiC 顆粒的脫落留下孔洞，如圖4b 所示。TiC 含量過高時會出現(xiàn)大顆粒TiC，當(dāng)集中應(yīng)力超過TiC 強(qiáng)度時會出現(xiàn)TiC 顆粒的破碎，此時斷裂后TiC 顆粒將有部分裸露出來，如圖4c所示。

2.2 結(jié)果分析

對熔覆層進(jìn)行XRD 衍射分析，如圖5 所示。圖5a是316L衍射圖譜，可以看出（Fe,Ni）固溶體的衍射峰最強(qiáng)，證明基體中有大量的（Fe,Ni）固溶體相，這是因為Fe 和Ni 的原子半徑分別為1.27 ? 和1.24 ?，兩者的電負(fù)性分別為1.83 和1.9，兩者有著相似的電負(fù)性和原子半徑，在激光熔池中兩者極易結(jié)合成為物相［13］。圖5b是TiC/316L復(fù)合材料熔覆層衍射圖譜，最強(qiáng)峰依舊是（Fe,Ni）固溶體，同時添加TiC 顆粒后，也存在著TiC 相。結(jié)合2 種圖片可以看出，除了（Fe,Ni）固溶體相和TiC 增強(qiáng)相外，XRD 衍射圖譜中沒有其他明顯的衍射峰，說明沒有其他明顯的新相或者新相的量極少。綜合得出，熔覆層中的主要物相為（Fe,Ni）固溶體和TiC。

圖5 熔覆層XRD圖譜

經(jīng)過TiC 顆粒的線掃描圖如圖6 所示，可以看出，經(jīng)過TiC 顆粒時Ti 元素含量漸變上升，F(xiàn)e 元素和Cr元素均是漸變下降。由此可知，在TiC顆粒與316L之間的界面處，存在Ti元素和Fe、Cr元素的互相擴(kuò)散。TiC顆粒在基體中有良好的潤濕性。

圖6 線掃描元素分布圖

對TiC/316L 熔覆層進(jìn)行EDS 面掃描，結(jié)果如圖7所示。在熔覆層中均勻彌散分布著許多TiC顆粒，會形成彌散強(qiáng)化。細(xì)小的TiC顆粒分布于晶界處，會阻礙晶粒的長大，尤其是阻礙枝晶的生長，從而細(xì)化晶粒，形成細(xì)晶強(qiáng)化。塑性變形時，硬質(zhì)相TiC顆粒會對位錯造成釘扎作用，位錯難以切割這些顆粒且穿越晶界需要更大的能量，從而使變形抗力增加，形成位錯強(qiáng)化。這些強(qiáng)化機(jī)制的共同作用使材料的抗拉強(qiáng)度得到提升。

圖7 熔覆層EDS面掃描

隨著TiC含量的增高，增強(qiáng)體顆粒之間受表面張力的影響易發(fā)生團(tuán)聚，如圖8所示。團(tuán)聚在一起的TiC顆粒之間的界面結(jié)合能較低，嚴(yán)重降低界面結(jié)合力。在形變過程中，界面處會形成很高的應(yīng)力場，在TiC顆粒尖端萌生裂紋，并沿著界面擴(kuò)展、傳播，最終形成斷裂使延伸率大大降低。

圖8 熔覆組織的TiC顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象

3 結(jié)論

1）激光熔覆制備TiC/316L復(fù)合材料，當(dāng)TiC體積分?jǐn)?shù)為6.67%時，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度最大，為675 MPa。復(fù)合材料的延伸率隨TiC含量的增加而降低，硬度隨TiC含量的增加而增大。

2）TiC顆粒與基體之間潤濕性良好。

3）均勻彌散分布的TiC 顆粒，具有彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化的作用，能夠提升材料的強(qiáng)度；TiC 含量過高時，顆粒之間會發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象使材料強(qiáng)度下降。